粉粒体の粒子径分布粒子形状測定と充填性流動性向上への応用

はじめに

粉粒体加工において、粒子径分布や粒子形状の測定は、製造プロセスの効率化と製品品質の向上において重要な役割を果たしています。粒子の径や形状が変化することで、粉体の充填性や流動性が大きく影響を受けるため、その適切な測定と制御は製造プロセスの改善に直接的に寄与します。本記事では、粉粒体の粒子径分布および粒子形状測定の基本から、測定データを基にした充填性や流動性の向上方法について解説します。

粒子径分布と粒子形状測定の重要性

粒子径分布とは

粒子径分布は、あるサンプル中に存在する粒子の径のばらつきを示します。この分布は、製品の均一性や工程の再現性に影響を及ぼします。たとえば、粒子径が揃っていないと、混合や成形過程で不均一な製品となる恐れがあります。

粒子形状の重要性

粒子形状もまた、製品特性に重大な影響を与えます。球形の粒子は、非球形のものと比べて流動性が高いため、充填性が良くなります。一方で、粒子が角ばっていると、結合力が強くなりやすく、その結果としてバルク密度や圧縮性が高まることがあります。

粒子径分布および粒子形状の測定方法

レーザー回折法

レーザー回折法は、粒子径分布を測定するための一般的な手法です。この方法は、レーザー光を粉体に照射し、得られた回折パターンから粒子の径を解析します。非常に微細な粒子からミリメートルサイズまで幅広く対応可能なのが特長です。

画像解析法

画像解析法による測定も近年進歩しており、粒子の形状や径を直接計測する方法として人気です。電子顕微鏡や光学顕微鏡を用い、粒子画像を撮影し、専用のソフトウェアで解析を行います。この方法は、粒子の形状情報も同時に得られるため、非常に有効です。

振動細胞測定法

振動細胞測定法は、粒子群が振動する際の特性を測定し、粒子径と形状を解析する方法です。高精度で大量のデータを短時間で取得できるのが利点ですが、装置が高価であるため、コストがネックになることもあります。

粒子径分布・形状データの解析と応用

粒子径と流動性の関係

粒子径の制御は、粉体の流動性の改善に直結します。粒子径が均一であればあるほど、流動性は向上しやすい傾向があります。これは、粒子同士の衝突や壁面との接触摩擦が低減されるためです。そのため、製造プロセスでシーブ加工（ふるい分け）などが行われます。

粒子形状の解析と充填性向上

粒子形状は充填性にも強く影響します。丸みを帯びた粒子は、隙間なく充填され、密度の高い製品を作ることが可能です。一方で、角のある粒子は、相互にロックしやすく、一種の架橋構造を形成することから、物理的に強度のある製品を求める場合に有利です。

充填性と流動性を向上させるための技術

サーフェスコーティング

サーフェスコーティングは、粉体の表面に薄膜を形成し、摩擦を低減する技術です。この処理を施すことで、流動性が向上し、充填性も最適化されます。特殊なポリマーやワックスを用いるケースが多いです。

添加剤の使用

添加剤を利用することで、粒子同士の付着を防ぎ、流動性を向上させることができます。一般的に用いられる添加剤には、シリカエアロゲルやステアリン酸カルシウムがあり、これらはバルク密度を変化させつつ理想的な充填を実現します。

振動充填技術

振動充填技術は、振動を応用した充填方法で、特に流動性の悪い粉末への適用が有効です。振動を加えることで、粒子の再配置が促進され、より密な充填が可能になります。

具体例：製造工程でのアプリケーション

粉粒体の粒子径分布と形状制御は、医薬品や化学製品だけでなく、食品業界やセラミックスの製造にも広く応用されています。医薬品では溶出性や生体内での分布特性を改良するために、食品では混合性や食感を改善するための技術が用いられています。セラミックスにおいては、焼結特性を向上させるために粒子形状を調整することが一般的です。

結論

粒子径分布と粒子形状の測定およびデータ解析は、製造プロセスの品質と効率の向上において不可欠です。適切な測定方法を選択し、得られたデータを基に加工工程を最適化することで、製品の競争力を高めることが可能です。さらに、充填性や流動性の向上を図るための技術を取り入れることで、高品質な製品の安定生産が実現します。